صناعة الطاقة الكهربائية

يشمل قطاع الطاقة الكهربائية توليد ونقل وتوزيع وبيع الطاقة الكهربائية للجمهور والقطاع الصناعي. بدأ التوزيع التجاري للطاقة الكهربائية عام ١٨٨٢ عندما تم إنتاج الكهرباء للإضاءة . وفي ثمانينيات وتسعينيات القرن التاسع عشر ، أدت المخاوف الاقتصادية والأمنية المتزايدة إلى تنظيم هذا القطاع. وما كان يُعتبر في السابق ميزة باهظة الثمن ومقتصرة على المناطق ذات الكثافة السكانية العالية، أصبح اليوم مصدراً أساسياً للطاقة الكهربائية الموثوقة والاقتصادية، وضرورة لاستمرار عمل جميع قطاعات الاقتصادات المتقدمة.

بحلول منتصف القرن العشرين، كان يُنظر إلى الكهرباء على أنها " احتكار طبيعي "، ولا تكون فعالة إلا إذا شارك عدد محدود من المنظمات في السوق؛ في بعض المناطق، توفر الشركات المتكاملة رأسياً جميع المراحل من التوليد إلى البيع بالتجزئة، ولم يكن سوى الإشراف الحكومي هو الذي ينظم معدل العائد وهيكل التكلفة.

منذ تسعينيات القرن الماضي، قامت العديد من المناطق بفصل عمليات توليد وتوزيع الطاقة الكهربائية . ورغم إمكانية التلاعب بهذه الأسواق بشكل غير مشروع ، مما يؤثر سلبًا على أسعار الطاقة وموثوقيتها بالنسبة للمستهلكين، إلا أن الإنتاج التنافسي للطاقة الكهربائية يؤدي عمومًا إلى تحسينات ملحوظة في الكفاءة . مع ذلك، يمثل نقل وتوزيع الطاقة تحديًا أكبر نظرًا لصعوبة تحقيق عوائد مجزية على الاستثمار .

على الرغم من أن توليد الكهرباء كان معروفًا منذ أن طور أليساندرو فولتا الخلية الفولتية عام 1800، نتيجةً للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلية التحليلية ، إلا أن إنتاجها بهذه الطريقة كان، ولا يزال، مكلفًا. في عام 1831، ابتكر مايكل فاراداي آلةً تولد الكهرباء من الحركة الدورانية، لكن استغرق الأمر قرابة خمسين عامًا حتى وصلت هذه التقنية إلى مرحلة الجدوى التجارية. وفي عام 1878، في الولايات المتحدة ، طور توماس إديسون وباع بديلًا تجاريًا مجديًا للإضاءة والتدفئة بالغاز، باستخدام تيار كهربائي مباشر مُولّد وموزع محليًا .

في ديسمبر 1881، قام روبرت هاموند بتجربة المصباح الكهربائي الجديد في مدينة برايتون بمقاطعة ساسكس في المملكة المتحدة. وقد مكّن النجاح الذي حققه هذا المشروع هاموند من تأسيسه تجاريًا وقانونيًا، حيث أبدى عدد من أصحاب المتاجر رغبتهم في استخدام المصباح الكهربائي الجديد. وهكذا تأسست شركة هاموند لتزويد الكهرباء.

في أوائل عام 1882، افتتح إديسون أول محطة لتوليد الكهرباء تعمل بالبخار في العالم في هولبورن فيادكت بلندن ، حيث أبرم اتفاقية مع مجلس المدينة لمدة ثلاثة أشهر لتوفير إنارة الشوارع. وبمرور الوقت، زوّد عددًا من المستهلكين المحليين بالكهرباء. وكانت طريقة التزويد هي التيار المستمر. وبينما أُغلقت محطتا غودالمينغ وهولبورن فيادكت عام 1882 بعد بضع سنوات، استمر مشروع برايتون، ووُفّرت الكهرباء فيه على مدار 24 ساعة يوميًا عام 1887.

في وقت لاحق من ذلك العام، وتحديدًا في سبتمبر 1882، افتتح إديسون محطة توليد الطاقة في شارع بيرل بمدينة نيويورك ، وكانت تعمل بنظام التيار المستمر. ولهذا السبب، كان موقع المحطة قريبًا من منازل المستهلكين أو داخلها، إذ لم يكن لدى إديسون أي وسيلة لتحويل الجهد. يُعد اختيار الجهد المناسب لأي نظام كهربائي حلًا وسطًا. فبالنسبة لكمية معينة من الطاقة المنقولة، يؤدي رفع الجهد إلى تقليل التيار ، وبالتالي تقليل سُمك الأسلاك المطلوبة. ولكن لسوء الحظ، يزيد ذلك أيضًا من خطر التلامس المباشر ، ويزيد من سُمك العزل المطلوب . علاوة على ذلك، كان من الصعب أو المستحيل تشغيل بعض أنواع الأحمال بجهود أعلى. ونتيجة لذلك، تطلب نظام إديسون أن تكون محطات توليد الطاقة على بُعد ميل واحد من المستهلكين. وبينما كان هذا النظام مناسبًا لمراكز المدن، إلا أنه لم يكن قادرًا على تزويد الضواحي بالطاقة بكفاءة اقتصادية. ^{[ 1 ]}

شهدت الفترة من منتصف إلى أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر إدخال أنظمة التيار المتردد في أوروبا والولايات المتحدة. تميز التيار المتردد بميزة استخدام المحولات ، المثبتة في محطات توليد الطاقة ، لرفع الجهد من المولدات، بينما تُستخدم المحولات في المحطات الفرعية المحلية لخفض الجهد لتغذية الأحمال. أدى رفع الجهد إلى تقليل التيار في خطوط النقل والتوزيع، وبالتالي تقليل حجم الموصلات وفقدان الطاقة في التوزيع. هذا جعل توزيع الطاقة عبر مسافات طويلة أكثر اقتصادية. كما أمكن وضع المولدات (مثل محطات الطاقة الكهرومائية ) بعيدًا عن الأحمال. تنافس التيار المتردد والتيار المستمر لفترة من الزمن، خلال ما يُعرف بـ" حرب التيارات" . تمكن نظام التيار المستمر من الادعاء بمستوى أمان أعلى قليلاً، لكن هذا الفرق لم يكن كافيًا للتغلب على المزايا التقنية والاقتصادية الهائلة للتيار المتردد الذي انتصر في النهاية. ^{[ 1 ]}

لقد تطور نظام الطاقة المترددة المستخدم اليوم بسرعة، بدعم من الصناعيين مثل جورج وستنجهاوس ، وميخائيل دوليفو-دوبروفولسكي ، وجاليليو فيراريس ، وسيباستيان زياني دي فيرانتي ، ولوسيان جولارد ، وجون ديكسون جيبس، وكارل فيلهلم سيمنز ، وويليام ستانلي جونيور ، ونيكولا تيسلا ، وغيرهم ممن ساهموا في هذا المجال.

إلكترونيات القدرة هي تطبيق إلكترونيات الحالة الصلبة للتحكم في الطاقة الكهربائية وتحويلها. بدأت إلكترونيات القدرة مع تطوير مقوم قوس الزئبق عام 1902، والذي استُخدم لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر. ومنذ عشرينيات القرن العشرين، استمر البحث في تطبيق الثايراترونات وصمامات قوس الزئبق المُتحكم بها بالشبكة لنقل الطاقة. وقد جعلت الأقطاب الكهربائية المُدرجة هذه الصمامات مناسبة لنقل الطاقة بالتيار المستمر عالي الجهد . وفي عام 1933، تم اختراع مقومات السيلينيوم. ^{[ 2 ]} يعود تاريخ تقنية الترانزستور إلى عام 1947، مع اختراع ترانزستور نقطة التلامس ، والذي تلاه ترانزستور الوصلة ثنائية القطب (BJT) عام 1948. وبحلول خمسينيات القرن العشرين، أصبحت ثنائيات أشباه الموصلات ذات القدرة العالية متاحة وبدأت تحل محل الصمامات المفرغة . وفي عام 1956، تم تقديم مقوم السيليكون المُتحكم به (SCR)، مما زاد من نطاق تطبيقات إلكترونيات القدرة. ^{[ 3 ]}

شهد مجال إلكترونيات الطاقة طفرةً نوعيةً مع اختراع ترانزستور MOSFET (ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة) عام 1959. وقد مكّنت أجيالٌ من ترانزستورات MOSFET مصممي الطاقة من تحقيق مستويات أداء وكثافة لم تكن ممكنةً مع الترانزستورات ثنائية القطب. ^{[ 4 ]} وفي عام 1969، قدمت شركة هيتاشي أول ترانزستور MOSFET رأسي للطاقة ، ^{[ 5 ]} والذي عُرف لاحقًا باسم VMOS (ترانزستور MOSFET ذو الأخدود V). ^{[ 6 ]} ومنذ ذلك الحين، أصبح ترانزستور MOSFET للطاقة أكثر أجهزة الطاقة شيوعًا في العالم، نظرًا لانخفاض طاقة تشغيل البوابة، وسرعة التبديل العالية، ^{[ 7 ]} وسهولة التوصيل المتوازي المتقدم، ^{[ 7 ] [ 8 ]} وعرض النطاق الترددي الواسع ، والمتانة، وسهولة التشغيل، وبساطة التحيز، وسهولة التطبيق، وسهولة الإصلاح. ^{[ 8 ]}

بينما يتم استخدام تقنية نقل التيار المستمر عالي الجهد بشكل متزايد لنقل كميات كبيرة من الكهرباء عبر مسافات طويلة أو لربط أنظمة الطاقة غير المتزامنة المجاورة ، فإن الجزء الأكبر من توليد الكهرباء ونقلها وتوزيعها وبيعها بالتجزئة يتم باستخدام التيار المتردد.

ينقسم قطاع الطاقة الكهربائية عادةً إلى أربع عمليات رئيسية: توليد الكهرباء (مثل محطات توليد الطاقة) ، ​​ونقلها ، وتوزيعها ، وبيعها بالتجزئة . في العديد من الدول، تمتلك شركات الطاقة الكهربائية البنية التحتية الكاملة، بدءًا من محطات التوليد وصولًا إلى شبكات النقل والتوزيع. ولهذا السبب، يُنظر إلى الطاقة الكهربائية على أنها احتكار طبيعي . ويخضع هذا القطاع عمومًا لتنظيمات صارمة ، غالبًا ما تتضمن ضوابط على الأسعار ، كما أنه في كثير من الأحيان مملوك ومدار من قبل الحكومة . مع ذلك، يشهد العصر الحديث اتجاهًا متزايدًا نحو تحرير القطاع، لا سيما في العمليتين الأخيرتين. ^{[ 9 ]}

غالباً ما تحدد طبيعة وحالة إصلاح سوق الكهرباء ما إذا كان بإمكان شركات الكهرباء المشاركة في بعض هذه العمليات فقط دون الحاجة إلى امتلاك البنية التحتية بأكملها، أو ما إذا كان بإمكان المواطنين اختيار مكونات البنية التحتية التي يرغبون في استخدامها. في البلدان التي يتم فيها تحرير قطاع الكهرباء، قد يختار المستهلكون النهائيون الكهرباء الخضراء الأكثر تكلفة .

نقل الطاقة الكهربائية

نقل الطاقة الكهربائية هو نقل كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية من موقع توليدها، مثل محطة توليد الطاقة ، إلى محطة فرعية كهربائية . تُعرف الخطوط المتصلة التي تُسهّل هذا النقل بشبكة النقل. ويختلف هذا عن الأسلاك المحلية بين المحطات الفرعية ذات الجهد العالي والمستهلكين، والتي يُشار إليها عادةً بتوزيع الطاقة الكهربائية . تُعرف شبكة النقل والتوزيع المُدمجة باسم " شبكة الطاقة " في أمريكا الشمالية ، أو ببساطة " الشبكة". في المملكة المتحدة والهند وماليزيا ونيوزيلندا ، تُعرف الشبكة باسم الشبكة الوطنية.

تربط شبكة متزامنة واسعة النطاق ، تُعرف أيضًا باسم "الربط البيني" في أمريكا الشمالية، العديد من المولدات التي تُزوّد ​​عددًا كبيرًا من المستهلكين بالطاقة الكهربائية المتناوبة بنفس التردد النسبي . على سبيل المثال، توجد أربع شبكات ربط بيني رئيسية في أمريكا الشمالية ( شبكة الربط البيني الغربية ، وشبكة الربط البيني الشرقية ، وشبكة الربط البيني في كيبيك ، وشبكة مجلس موثوقية الكهرباء في تكساس (ERCOT)). أما في أوروبا، فتربط شبكة واحدة كبيرة معظم أنحاء القارة الأوروبية .

تاريخياً، كانت خطوط النقل والتوزيع مملوكة لنفس الشركة، ولكن بدءاً من التسعينيات، قامت العديد من الدول بتحرير تنظيم سوق الكهرباء بطرق أدت إلى فصل أعمال نقل الكهرباء عن أعمال التوزيع. ^{[ 11 ]}

توزيع الطاقة الكهربائية

يُعدّ توزيع الطاقة الكهربائية المرحلة الأخيرة في عملية توصيلها ؛ حيث ينقل الكهرباء من شبكة النقل إلى المستهلكين الأفراد. تتصل محطات التوزيع الفرعية بشبكة النقل، وتقوم بخفض جهد النقل إلى جهد متوسط ​​يتراوح بين 2 و35 كيلوفولت باستخدام المحولات . [ ^{12 ] تنقل} خطوط التوزيع الرئيسية هذا الجهد المتوسط ​​إلى محولات التوزيع الموجودة بالقرب من منازل المستهلكين. تقوم محولات التوزيع بدورها بخفض الجهد إلى جهد الاستخدام اللازم للإضاءة والمعدات الصناعية والأجهزة المنزلية. غالبًا ما يتم تزويد عدة مستهلكين بالكهرباء من محول واحد عبر خطوط التوزيع الثانوية . يتم توصيل المستهلكين التجاريين والسكنيين بخطوط التوزيع الثانوية عبر وصلات الخدمة . أما المستهلكون الذين يحتاجون إلى كميات أكبر من الطاقة، فيمكن توصيلهم مباشرةً بمستوى التوزيع الرئيسي أو مستوى النقل الفرعي . ^{[ 13 ]}  

يختلف تنظيم قطاع الكهرباء في أي بلد أو منطقة تبعًا لنظامها الاقتصادي. ففي بعض المناطق، تتولى جهة حكومية مسؤولية توليد ونقل وتوزيع الطاقة الكهربائية بالكامل. بينما في مناطق أخرى، توجد شركات مرافق خاصة أو مملوكة للمستثمرين، أو شركات تابعة للبلديات، أو شركات تعاونية مملوكة لعملائها، أو مزيج من هذه الجهات. وقد تتولى شركة واحدة مسؤولية التوليد والنقل والتوزيع، أو قد تتولى جهات مختلفة مسؤولية كل جزء من هذه الأجزاء.

لا يتمتع الجميع بإمكانية الوصول إلى الكهرباء من الشبكة. حوالي 840 مليون شخص (معظمهم في أفريقيا) لم يكن لديهم إمكانية الوصول إليها في عام 2017، بانخفاض عن 1.2 مليار في عام 2010. ^{[ 14 ]}

لقد تغير نموذج العمل الذي تقوم عليه شركات الكهرباء على مر السنين، ولعب دورًا حيويًا في تشكيل صناعة الكهرباء على ما هي عليه اليوم؛ بدءًا من التوليد والنقل والتوزيع، وصولًا إلى البيع بالتجزئة المحلي النهائي. وقد برز هذا التغيير بشكل واضح منذ إصلاح قطاع إمدادات الكهرباء في إنجلترا وويلز عام 1990.

من المتوقع أن يشهد الطلب على الكهرباء نموًا متزايدًا في المستقبل. وتعتمد ثورة المعلومات اعتمادًا كبيرًا على الطاقة الكهربائية. وتشمل مجالات النمو الأخرى التقنيات الجديدة الناشئة التي تعتمد كليًا على الكهرباء، والتطورات في تكييف الهواء، والعمليات الصناعية ، والنقل (على سبيل المثال ، المركبات الهجينة والقاطرات ). ^{[ 24 ]}

• ب. سترينج، "إمدادات الكهرباء المبكرة في بريطانيا: تشيسترفيلد وجودالمينج"، وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (1979).
• DG Tucker, "الطاقة الكهرومائية للإمداد العام في بريطانيا"، مراجعة علم الآثار الصناعية ، (1977).
• ب. باورز، تاريخ الضوء والطاقة الكهربائية ، بيرغرينوس (1982).
• تي بي هيوز، شبكات القوة ، مطبعة جونز هوبكنز لندن (1983).
• IRENA ، مشهد الابتكار لمستقبل يعتمد على الطاقة المتجددة: حلول لدمج مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة. مؤرشف في 2021-01-24 في Wayback Machine ، (2019).